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1 GPPU 宇宙創成物理学概論 r- プロセス元素合成と中性子過剰核 萩野浩一物理学専攻原子核理論研究室 1. 重元素の合成 : s- プロセスと r- プロセス 2.r- プロセスと原子核物理 - 核図表 - β 崩壊 - 魔法数 3. 中性子過剰核の物理 4. まとめ

2 元素の周期表 Nh Mc Ts Og 地球上のすべての物質は元素からできている どのようにして出来たのか ( 元素合成 )?

3 元素はどのように出来たのか? 宇宙でうまれた ビッグバン (138 億年前 ) H He Li

4 Li がほんの少ししかできなかったわけ 質量数 8 B( ホウ素 ) までの安定な原子核 10 B 11 B 質量数 5 9 Be 6 Li 7 Li 質量数 5 と 8 の大きな壁 1 H 3 He 4 He 2 H 元素の宇宙存在比 ( 質量比 ) H 70.7% Be < % He 27.4% B < % Li < % C 0.3 %

5 元素はどのように出来たのか? 宇宙でうまれた ビッグバン (138 億年前 ) H He Li

6 元素はどのように出来たのか? Fe までの元素の起源 C, N, O, Mg,Fe など ( 大質量 ) 星の内部での核融合反応恒星が光っているもと

7 元素はどのように出来たのか? Fe までの元素の起源 C, N, O, Mg,Fe など ( 大質量 ) 星の内部での核融合反応恒星が光っているもと Fe までは発熱反応 Fe から先は吸熱反応 核融合は鉄 (Fe) で止まる

8 原子核の核子あたりの束縛エネルギー ( 実験データ ) ピーク 束縛エネルギー : 核子のかたまりである原子核をバラバラにするために必要なエネルギー 束縛エネルギーが大きいほど安定 Fe まではの核融合は発熱反応 Fe から先は吸熱反応

9 星の一生について C, N, O, Mg,Fe など ( 大質量 ) 星の内部での核融合反応 核融合の燃料がなくなると 重力により縮む 耐えられなくなると爆発 ( 超新星爆発 )

10 O Mg Ti H Fe N C Li Ca Si He 超新星爆発により元素が宇宙空間にばらまかれる

11 サイクルのくりかえし 星間ガス星の形成超新星爆発

12 元素はどのように出来たのか? Fe までの元素の起源 C, N, O, Mg,Fe など ( 大質量 ) 星の内部での核融合反応恒星が光っているもと Feまでは発熱反応 Feから先は吸熱反応核融合は鉄 (Fe) で止まる鉄より重い元素 ( 例えば鉛など ) はどのように出来たのか?

13 元素はどのように出来たのか? 中性子の吸収 ( 電荷がないので吸収されやすい ) 赤色巨星 s- プロセス Ba, La, Pb, Bi など 超新星爆発や中性子星の合体 r- プロセス Th, Eu, U など

14 核図表について 原子核 陽子 中性子 元素の周期表 中性子は?

15 核図表 : 原子核の地図 陽子の数 中性子の数

16 核図表 : 原子核の地図 陽子の数同位体 ( アイソトープ ) 16 O (Z=8, N=8, A=16) 17 O (Z=8, N=9, A=17) 18 O (Z=8, N=10, A=18) 中性子の数 A=Z+N

17 s- プロセス元素合成と r- プロセス元素合成 中性子吸収 ( 捕獲 ) 反応 例 ) Cd 66 + n Cd 67 * Cd 67 ( 基底状態 ) + γ (n,γ) 反応 114 Cd + n 核図表上では : 114 Cd 115 Cd 114 Cd + n γ E n S n (n,γ) 115 Cd

18 114 Cd 115 Cd の次は何が起こる? 陽子 115 In β 114 Cd 115 Cd (n,γ) 114 Cd: 安定同位体 115 Cd: 2.33 日の半減期で β 崩壊 中性子 Cd In 66 + e - + ν e

19 114 Cd 115 Cd の次は 2 つの可能性 β 崩壊の方が速い場合 114 Cd 115 Cd 115 In 115 In β 114 Cd 115 Cd s- プロセス (slow process) (n,γ) 中性子吸収の方が速い場合 114 Cd 115 Cd 116 Cd 115 In 114 Cd 115 Cd 116 Cd r- プロセス (rapid process) (n,γ) (n,γ)

20 元素の宇宙存在比 r s r s r s Bohr-Mottelson, Nuclear Structure s- プロセスによるピークと r- プロセスによるピークの 2 種類のピーク

21 s- プロセス元素合成 122 Te 121 Te 122 Te β 121 Sb 122 Sb 116 Sn 117 Sn 118 Sn β 119 Sn 120 Sn β 121 Sn β 115 In 114 Cd 115 Cd (n,γ) 116 In β 赤色巨星などの中で核図表の安定同位体をたどりながらゆっくりと進行

22 s- プロセス元素合成 s- プロセスの終点 210 Po α 209 Bi 210 Bi 206 Pb 207 Pb 208 Pb β 209 Pb β s- プロセスは 209 Bi まで

23 s- プロセス元素合成 s- プロセスの終点 210 Po Bi U,Th α 209 Bi 210 Bi 206 Pb 207 Pb 208 Pb β 209 Pb β s- プロセスは 209 Bi まで ウランやトリウムは s- プロセスでは作られない r- プロセス

24 r- プロセス元素合成 r- プロセス経路 急速な中性子捕獲

25 r- プロセス元素合成 r- プロセス経路 中性子を使い果たすと β 崩壊

26 r- プロセス元素合成の動画 和南城伸也氏 ( 上智大 )

27 s r r s r- プロセスのピークが左側にくるのは中性子過剰領域を通るため

28 中性子捕獲と光分解 r-プロセスでは光分解反応も重要 A + γ (A-1) + n 中性子捕獲反応と逆過程 中性子過剰核 = 弱束縛 分解しやすい V 弱束縛軌道 陽子 中性子

29 中性子捕獲と光分解 r- プロセスでは光分解反応も重要 A + γ (A-1) + n 中性子捕獲反応と逆過程 中性子過剰核 = 弱束縛 分解しやすい r- プロセスは比較的高温の環境下で起こる 高エネルギーのフォトンが存在 (n,γ) (n,γ) (n,γ) (n,γ) (n,γ) (γ,n) (γ,n) (γ,n) (γ,n) (γ,n) (n,γ) 過程と (γ,n) 過程が近似的に化学平衡

30 滞留核 (n,γ) (γ,n) (n,γ) (n,γ) (n,γ) (γ,n) (γ,n) (γ,n) (n,γ) 反応の確率が小さくなるとそこで止まる (n,γ) (n,γ) (n,γ) β (n,γ) β 崩壊で違う元素になる (γ,n) (γ,n) (γ,n) (γ,n)

31 滞留核

32 どういうところで r- プロセスは滞留するか? 魔法数を持つ原子核は中性子吸収の確率が小さい N, Z = 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 に対して束縛エネルギー大 = 安定 ( 魔法数 )

33 原子核の中で核子の感じるポテンシャル Sn 同位体の一中性子分離エネルギー ギャップ N=82 ギャップ 準位が埋まってエネルギーのギャップが開くと安定 = 閉殻構造 N=83 から上の準位がつまる 中性子をとりのぞくのにエネルギーが小さくてすむ

34 閉殻核 +1 中性子では : E n S n : 小 A+1 E*: 小 (A+1) 準位密度 : 小 中性子吸収確率 : 小

35 閉殻核 +1 中性子では : 中性子捕獲断面積 E n S n : 小 A+1 E*: 小 (A+1) 準位密度 : 小 K.S. Krane, "Introductory Nuclear Physics" 中性子吸収確率 : 小

36 N=82 N=126

37 s- プロセスに比べて r- プロセスにはよくわか っていないことが多い 金やウランがどうやって出来たのか は実はあまりよくわかっていない

38 r- プロセス元素合成の謎 r- プロセスのサイトはどこか? 超新星爆発 中性子星の合体 : 最近の有力な説 中性子過剰核の性質をどのくらいよくわかっているのか? 質量 β 崩壊半減期 魔法数 中性子過剰核の核分裂の果たす役割? 自発核分裂及び中性子誘起核分裂 β 遅延核分裂

39 核分裂

40 中性子過剰核と理研 RIBF 中性子過剰核の性質をどのくらいよくわかっているのか? 質量 β 崩壊半減期 魔法数など理研 RIBF: 世界最大強度で中性子過剰核を作り出す施設 2007 年始動

41 r- プロセス経路の内側にある中性子過剰核を網羅できる

42 多くの中性子過剰核の β 崩壊寿命の系統的測定 従来の理論的見積もりより 30% 程度早く崩壊する S. Nishimura et al., PRL106( 11)052502; PRL114( 15)192501; PRL118( 17)072701

43 従来の見積もり値を用いた計算 新データを用いた計算 S. Nishimura et al., PRL106( 11)052502; PRL114( 15)192501; PRL118( 17)072701

44 変化する魔法数 N=20 N=8 N = 8 の喪失 新魔法数 N = 16 の出現 N = 20 の喪失 A. Ozawa et al., PRL84 ( 00)5493

45 RIBF での実験の成果 魔法数 N=20, 28 の喪失新魔法数 N=34 の出現なども より重い領域でどうなるか? RIBF 物理の大きな柱の一つ Nature, vol. 502 (2013) 新魔法数 N=34 の発見

46 中性子過剰核の物理 r- プロセス元素合成以外にも量子多体系として豊富な物理

47 不安定核研究の本格的幕開け : 相互作用断面積測定 (1985) Projectile Target Slide: A. Ozawa 11 Li 11 Li 以外の原子核 2 つの原子核が重なった時に反応が起こるとすると R I (P) 標的核 R I (P) 入射核 R I (T) 標的核

48 不安定核研究の本格的幕開け : 相互作用断面積測定 (1985) 11 Li 標的核 11 Li 以外の原子核 異常に大きな半径 R I (P) 入射核 R I (T) 標的核 I. Tanihata et al., PRL55( 85) つの原子核が重なった時に反応が起こるとすると R I (P)

49 1 中性子ハロー核 典型的な例 : 11 4Be 7 1 中性子分離エネルギー 半径 S n 10 Be + n 11 Be I. Tanihata et al., PRL55( 85)2676; PLB206( 88)592 S n = 504 +/- 6 kev 非常に小さい ちなみに 13 C では S n = 4.95 MeV

50 1 中性子ハロー核 1 中性子分離エネルギー 典型的な例 : 11 4Be 7 半径 S n 10 Be + n Sn = 504 +/- 6 kev 11 Be 解釈 : 10 Be のまわりに 1 つの中性子が弱く束縛され薄く広がっている 10 Be n 弱く束縛された系 密度分布の空間的広がり ( ハロー構造 )

51 解釈 : 10 Be のまわりに 1 つの中性子が弱く束縛され薄く広がっている 10 Be n 弱く束縛された系 密度分布の空間的広がり ( ハロー構造 ) 反応断面積の実験値を説明する密度分布 月暈 ( 月のまわりに広がる薄い輪 ハロー ) M. Fukuda et al., PLB268( 91)339

52 半径は l=0,1 では発散 ( ゼロ エネルギー極限 ) ハロー ( 異常に大きい半径 ) は l= 0 or 1 でのみおこる

53 運動量分布 8 He S 2n ~ 2.1 MeV 11 Li S 2n ~ 300 kev 束縛が弱くなり空間的に広がると運動量分布が狭くなる中性子ハロー T. Kobayashi et al., PRL60 ( 88) 2599

54 ボロミアン原子核 残留相互作用 引力 不安定安定 ボロミアン核 ボロミアン核の構造 多体相関のため non-trivial 多くの注目を集めている

55 ボロミアン原子核 n n 9 Li ボロミアン核 2 n (n+n) は存在せず 10 Li ( 9 Li+n) は存在せず 他にも 6 He が典型的な例

56 ボロミアン核の中で 2 中性子は空間的に局在 (dineutron 相関 ) n 9 Li r θ 12 r n 三体模型計算 nn 間相互作用なし nn 間相互作用あり 11 Li K.H. and H. Sagawa, PRC72( 05)044321

57 2 中性子ハロー核の最新の話題 : 非束縛核 26 O の 2n 崩壊

58 2 中性子ハロー核の最新の話題 : 非束縛核 26 O の 2n 崩壊 22 O 23 O 24 O 25 O 26 O 25 O 749 kev 24 O 2n decay (neutron drip line) 26 O 18 kev Y. Kondo et al., PRL116 ( 16)

59 3 体模型 ( 26 O = 24 O + n + n) による理論解析 K.H. and H. Sagawa, - PRC89 ( 14) PRC93 ( 16) 放出 2 中性子の角度相関 相関 逆方向 (θ = 180 度 ) への放出が増大

60 まとめ r- プロセス元素合成 鉄より重い原子核の約半分を作る機構 トリウム ウランは r- プロセスのみ 中性子過剰核を経由する中性子吸収過程 原子核物理 : 魔法数 β 崩壊 核分裂 光分解など r- プロセスのサイト? 中性子過剰核の物理 理研 RIBF により急速に進展 β 崩壊率の測定 魔法数の喪失 新魔法数の出現 ハロー核 ボロミアン核 非束縛核 陽子 中性子数の人工的制御によって原子核の新しい形態を明らかにする

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